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基于單片機(jī)的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)
孟 珩 2022/11/27 9:00:51
（泰山科技學(xué)院 山東泰安 271000）
摘 要：溫室種植在我國北方是一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，以其不受季節(jié)影響的優(yōu)勢，建設(shè)面積逐年擴(kuò)大。針對溫室土壤濕度監(jiān)測及灌溉的需求，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的溫室自動灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為控制器，搭載多個(gè)四線制土壤濕度計(jì)監(jiān)測模塊對溫室土壤進(jìn)行分區(qū)域監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)串口通信傳至PC端，采用基于Labview設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的顯示，采集數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值比較后，單片機(jī)控制噴灌、滴管等設(shè)備進(jìn)行動作，以達(dá)到溫室合理自動灌溉的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的溫室自動灌溉系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，滿足了溫室自動灌溉的需求，該設(shè)計(jì)為實(shí)際溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：溫室灌溉；51單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集；Labview上位機(jī)界面
溫室作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其在蔬菜作物培育、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮了重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2020年我國溫室總面積達(dá)到187.3萬公頃，在我國水資源匱乏且分布不均的背景下，傳統(tǒng)的溫室灌溉方式還在采用人工監(jiān)測旱情，并以“大水漫灌”的方式進(jìn)行，主要特點(diǎn)一是水資源利用不充分，作物培育方式不合理；二是多以人工方式進(jìn)行，增加了生產(chǎn)成本。因此，研發(fā)溫室自動灌溉系統(tǒng)就顯得尤為重要。
近年來，國內(nèi)專家學(xué)者對溫室灌溉系統(tǒng)的研究取得了較多成果。李雅靜等以西門子S7-200PLC作為控制器，采用水位節(jié)點(diǎn)控制的方法，對溫室作物進(jìn)行智能化灌溉[1]。劉斌等設(shè)計(jì)了基于Smith預(yù)估器的溫室灌溉模糊控制策略，有效提高了灌溉系統(tǒng)的控制精度和實(shí)用性[2]。盛強(qiáng)針對溫室花卉對生長環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)基于Modbus-RTU通信的灌溉控制系統(tǒng)，以輪詢方式對溫室環(huán)境因子進(jìn)行采集，并上傳至MCGS觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控，通過變頻器實(shí)現(xiàn)對花卉的按需灌溉，以達(dá)到精細(xì)化管理的目的[3]。王蕾等采用STM32單片機(jī)作為控制器，通過WIFI無線傳輸?shù)姆绞�，對溫室�?nèi)部信息進(jìn)行全方位監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對其的合理化灌溉[4]。薛巖等以溫室黃瓜種植為例，分析該作物在不同氣象條件、不同生長階段下的需水模型，設(shè)計(jì)了精細(xì)化灌溉控制的策略[5]。杜佳豪等針對溫室節(jié)水灌溉需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的溫室灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制過程中數(shù)據(jù)的無線采集、發(fā)送，有效對溫室作物進(jìn)行了灌溉[6]。本文主要設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)的溫室自動灌溉系統(tǒng)，其主要研究內(nèi)容如下：
（1）對溫室灌溉系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定每個(gè)功能子模塊。
（2）對元器件進(jìn)行選型，完成該控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，并采用模塊化編程，對各個(gè)模塊子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)土壤墑情監(jiān)測及自動灌溉。
（3）設(shè)計(jì)基于Labview的上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)溫室土壤濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測及灌溉控制。
1 溫室灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)需求分析
（1）溫室環(huán)境存在時(shí)空差異性，溫室不同區(qū)域的土壤濕度存在差異，中部土壤濕度較小，靠近棚架兩側(cè)的區(qū)域，因受棚外水分滲透及棚膜上水滴的流淌，濕度較大，要求對溫室分區(qū)域進(jìn)行土壤墑情監(jiān)測。
（2）對該溫室作物的灌溉，可實(shí)現(xiàn)棚外遠(yuǎn)距離操作，設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，可遠(yuǎn)端監(jiān)控土壤墑情，及手動和自動控制溫室灌溉。
1.2 溫室灌溉系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架
根據(jù)設(shè)計(jì)過程中溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、應(yīng)用的需求，在符合可擴(kuò)展、可靠實(shí)用及科學(xué)性等多項(xiàng)原則下，將溫室灌溉控制系統(tǒng)分為物理感知層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用管理層，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1.溫室灌溉系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
2 溫室灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)溫室灌溉系統(tǒng)的需求和設(shè)計(jì)原則，采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，連接多個(gè)四線制土壤濕度計(jì)監(jiān)測模塊完成分區(qū)域數(shù)據(jù)采集，通過串口與PC端進(jìn)行通信，整個(gè)硬件電路分為了單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器采集模塊電路、串口通信模塊電路、電源模塊電路、繼電器控制電路、報(bào)警電路及按鍵電路等，整體硬件電路框架如圖2所示。
圖2 溫室灌溉系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖
2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
單片機(jī)最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位電路及時(shí)鐘電路組成，設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，該型號單片機(jī)采用5V直流電進(jìn)行供電，時(shí)鐘電路在XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳間跨接了一個(gè)11.0592 MHz的晶振，連接兩個(gè)22pF電容，使振蕩器起振并對其頻率進(jìn)行（未完，下一頁）
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